Fundet:Katalysens hellige gral – at omdanne metan til methanol under omgivende forhold ved hjælp af lys

Et internationalt team af forskere, ledet af forskere ved University of Manchester, har udviklet en hurtig og økonomisk metode til at omdanne metan, eller naturgas, til flydende methanol ved omgivelsestemperatur og -tryk. Metoden foregår under kontinuerlig strømning over et fotokatalytisk materiale ved hjælp af synligt lys til at drive konverteringen.

For at hjælpe med at observere, hvordan processen fungerer, og hvor selektiv den er, brugte forskerne neutronspredning ved VISION-instrumentet ved Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source.

Metoden involverer en kontinuerlig strøm af methan/iltmættet vand over en ny metal-organisk ramme (MOF) katalysator. MOF'en er porøs og indeholder forskellige komponenter, der hver især har en rolle i at absorbere lys, overføre elektroner og aktivere og bringe metan og oxygen sammen. Den flydende methanol ekstraheres let fra vandet. En sådan proces er almindeligvis blevet betragtet som "en hellig gral af katalyse" og er et fokusområde for forskning støttet af det amerikanske energiministerium. Detaljer om holdets resultater, med titlen "Direct photo-oxidation of methan to methanol over a mono-iron hydroxyl site," er offentliggjort i Nature Materials.

Naturligt forekommende metan er et rigeligt og værdifuldt brændstof, der bruges til ovne, ovne, vandvarmere, ovne, biler og turbiner. Men metan kan også være farligt på grund af vanskeligheden ved at udvinde, transportere og opbevare det.

Metangas er også skadelig for miljøet, når den frigives eller siver ud i atmosfæren, hvor den er en potent drivhusgas. Førende kilder til atmosfærisk metan omfatter produktion og anvendelse af fossilt brændstof, rådnende eller brændende biomasse såsom skovbrande, landbrugsaffaldsprodukter, lossepladser og smeltende permafrost.

Overskydende metan brændes almindeligvis af eller blusses for at reducere dets miljøpåvirkning. Men denne forbrændingsproces producerer kuldioxid, som i sig selv er en drivhusgas.

Industrien har længe søgt efter en økonomisk og effektiv måde at omdanne metan til methanol, et meget omsætteligt og alsidigt råmateriale, der bruges til at fremstille en række forbruger- og industriprodukter. Dette ville ikke kun hjælpe med at reducere metanemissionerne, men det ville også give et økonomisk incitament til at gøre det.

Methanol er en mere alsidig kulstofkilde end metan og er en let transporterbar væske. Det kan bruges til at fremstille tusindvis af produkter såsom opløsningsmidler, frostvæske og akrylplast; syntetiske stoffer og fibre; klæbemidler, maling og krydsfiner; og kemiske midler, der anvendes i lægemidler og landbrugskemikalier. Omdannelsen af ​​metan til et højværdibrændstof såsom methanol bliver også mere attraktivt, efterhånden som oliereserverne svinder ind.

Bryde båndet

En primær udfordring med at konvertere metan (CH₄ ) til methanol (CH₃ OH) har været vanskeligheden ved at svække eller bryde den kemiske carbon-hydrogen (C-H) binding for at indsætte et oxygen (O) atom for at danne en C-OH binding. Konventionelle methanomdannelsesmetoder involverer typisk to trin, dampreformering efterfulgt af syntesegasoxidation, som er energiintensive, dyre og ineffektive, da de kræver høje temperaturer og tryk.

Den hurtige og økonomiske metan-til-methanol-proces udviklet af forskerholdet bruger et multikomponent MOF-materiale og synligt lys til at drive konverteringen. Et flow af CH₄ og O₂ mættet vand ledes gennem et lag af MOF-granulatet, mens det udsættes for lyset. MOF'en indeholder forskellige designet komponenter, der er placeret og holdt i faste positioner i den porøse overbygning. De arbejder sammen om at absorbere lys for at generere elektroner, som sendes til ilt og metan i porerne for at danne methanol.

"For i høj grad at forenkle processen, når metangas udsættes for det funktionelle MOF-materiale indeholdende mono-jern-hydroxylsteder, fremmer de aktiverede oxygenmolekyler og energi fra lyset aktiveringen af ​​CH-bindingen i metan til dannelse af methanol," sagde Sihai Yang, professor i kemi i Manchester og tilsvarende forfatter. "Processen er 100 % selektiv - hvilket betyder, at der ikke er noget uønsket biprodukt - sammenlignelig med methanmonooxygenase, som er enzymet i naturen til denne proces."

Eksperimenterne viste, at den faste katalysator kan isoleres, vaskes, tørres og genbruges i mindst 10 cyklusser eller ca. 200 timers reaktionstid uden tab af ydeevne.

Den nye fotokatalytiske proces er analog med, hvordan planter omdanner lysenergi til kemisk energi under fotosyntesen. Planter absorberer sollys og kuldioxid gennem deres blade. En fotokatalytisk proces omdanner derefter disse elementer til sukker, ilt og vanddamp.

"Denne proces er blevet kaldt 'katalysens hellige gral'. I stedet for at brænde metan kan det nu blive muligt at omdanne gassen direkte til methanol, et kemikalie af høj værdi, der kan bruges til at producere biobrændstoffer, opløsningsmidler, pesticider og brændstoftilsætningsstoffer til køretøjer, siger Martin Schröder, vicepræsident og dekan for fakultet for naturvidenskab og ingeniørvidenskab i Manchester og tilsvarende forfatter. "Dette nye MOF-materiale kan også være i stand til at lette andre typer kemiske reaktioner ved at tjene som en slags reagensglas, hvori vi kan kombinere forskellige stoffer for at se, hvordan de reagerer."

Brug af neutroner til at afbilde processen

"Brug af neutronspredning til at tage 'billeder' på VISION-instrumentet bekræftede oprindeligt den stærke interaktion mellem CH₄ og mono-jern-hydroxylsteder i MOF, der svækker CH-bindingerne," sagde Yongqiang Cheng, instrumentforsker ved ORNL Neutron Sciences Directorate.

"VISION er et neutronvibrationsspektrometer med høj gennemstrømning, der er optimeret til at give information om molekylær struktur, kemisk binding og intermolekylære interaktioner," sagde Anibal "Timmy" Ramirez Cuesta, der leder Chemical Spectroscopy Group hos SNS. "Metanmolekyler producerer stærke og karakteristiske neutronspredningssignaler fra deres rotation og vibrationer, som også er følsomme over for det lokale miljø. Dette gør os i stand til utvetydigt at afsløre de bindingssvækkende interaktioner mellem CH₄ og MOF med avancerede neutronspektroskopiteknikker."

Hurtig, økonomisk og genbrugelig

Ved at eliminere behovet for høje temperaturer eller tryk og bruge energien fra sollys til at drive fotooxidationsprocessen kan den nye konverteringsmetode sænke udstyr og driftsomkostninger væsentligt. Processens højere hastighed og dens evne til at omdanne methan til methanol uden uønskede biprodukter vil lette udviklingen af ​​in-line behandling, der minimerer omkostningerne. + Udforsk yderligere

Guld-fosfor nanoplader katalyserer naturgas til grønnere energi selektivt